Что такое векторное управление?

Что такое ориентированное на поле управление?

Определение ориентированного на поле управления

Ориентированное на поле управление — это сложная техника, которая управляет асинхронными двигателями, независимо контролируя момент и магнитный поток, подобно постоянным токовым двигателям.

Принцип работы ориентированного на поле управления

Ориентированное на поле управление состоит в управлении статорными токами, представленными в виде вектора. Это управление основано на проекциях, которые преобразуют трехфазную систему, зависящую от времени и скорости, в двухкоординатную (d и q оси) временную инвариантную систему.

Эти преобразования и проекции приводят к структуре, сходной с управлением постоянным токовым двигателем. Для машин с FOC требуются две постоянные величины в качестве входных ссылок: компонент момента (выровненный с координатой q) и компонент потока (выровненный с координатой d).

Трехфазные напряжения, токи и потоки асинхронных двигателей можно анализировать в терминах комплексных пространственных векторов. Если взять ia, ib, ic как мгновенные токи в фазах статора, то вектор статорного тока определяется следующим образом:

Где (a, b, c) — оси трехфазной системы. Этот пространственный вектор тока представляет собой трехфазную синусоидальную систему. Его необходимо преобразовать в двухкоординатную временную инвариантную систему. Это преобразование можно разделить на два этапа:

(a, b, c) → (α, β) (преобразование Кларка), которое дает выход двухкоординатной временной изменяющейся системы.

(α, β) → (d, q) (преобразование Парка), которое дает выход двухкоординатной временной инвариантной системы.

Проекция (a, b, c) → (α, β) (преобразование Кларка). Трехфазные величины, такие как напряжения или токи, изменяющиеся во времени вдоль осей a, b и c, могут быть математически преобразованы в двухфазные напряжения или токи, изменяющиеся во времени вдоль осей α и β, с помощью следующей матрицы преобразования:

Предполагая, что ось a и ось α находятся в одном направлении, а β ортогональна им, мы имеем следующую векторную диаграмму:

Вышеупомянутое проектирование модифицирует трехфазную систему в двухмерную ортогональную систему (α, β), как указано ниже:

Но эти двухфазные (α, β) токи все еще зависят от времени и скорости. Проекция (α, β) → (d, q) (преобразование Парка). Это самое важное преобразование в FOC. На самом деле, эта проекция модифицирует двухфазную фиксированную ортогональную систему (α, β) в d, q вращающуюся систему координат. Матрица преобразования приведена ниже:

Где θ — угол между вращающейся и фиксированной системой координат.

Если вы считаете, что ось d выровнена с роторным потоком, Рисунок 2 показывает соотношение между двумя системами координат для вектора тока:

Где θ — положение роторного потока. Компоненты момента и потока вектора тока определяются следующими уравнениями:

Эти компоненты зависят от компонентов вектора тока (α, β) и от положения роторного потока. Если вы знаете точное положение роторного потока, то, по вышеуказанному уравнению, компоненты d, q можно легко рассчитать. В этот момент момент можно контролировать напрямую, так как компонент потока (isd) и компонент момента (isq) теперь независимы.

Базовый модуль для ориентированного на поле управления

Измеряются фазные токи статора. Эти измеренные токи подаются в блок преобразования Кларка. Выходы этого проектирования называются isα и isβ. Эти два компонента тока поступают в блок преобразования Парка, который предоставляет ток в системе координат d, q. 

Компоненты isd и isq сравниваются с эталонами: isdref (эталон потока) и isqref (эталон момента). В этот момент структура управления имеет преимущество: она может использоваться для управления как синхронными, так и асинхронными машинами, просто изменив эталон потока и отслеживая положение роторного потока. В случае PMSM роторный поток фиксирован и определяется магнитами, поэтому нет необходимости его создавать. 

Следовательно, при управлении PMSM, isdref должно быть равно нулю. Поскольку асинхронные двигатели требуют создания роторного потока для работы, эталон потока не должен быть равен нулю. Это легко устраняет одно из основных недостатков «классических» структур управления: переносимость от асинхронных к синхронным приводам. 

Выходы PI-регуляторов Vsdref и Vsqref применяются к блоку обратного преобразования Парка. Выходы этого проектирования Vsαref и Vsβref подаются в блок алгоритма широтно-импульсной модуляции (SVPWM). Выходы этого блока предоставляют сигналы, управляющие инвертором. Здесь оба преобразования Парка и обратного Парка требуют положения роторного потока. Следовательно, положение роторного потока является сутью FOC.

Оценка положения роторного потока различается, если рассматривать синхронный или асинхронный двигатель. В случае синхронного двигателя скорость ротора равна скорости роторного потока. Тогда положение роторного потока определяется датчиком положения или путем интегрирования скорости ротора.

В случае асинхронного двигателя скорость ротора не равна скорости роторного потока из-за скольжения; поэтому используется особый метод для оценки положения роторного потока (θ). Этот метод использует модель тока, которая требует двух уравнений модели асинхронного двигателя в вращающейся системе координат d, q.

Упрощенная блок-схема косвенного FOC

Классификация ориентированного на поле управления

FOC для привода асинхронного двигателя можно широко классифицировать на два типа: косвенный FOC и прямой FOC. В стратегии DFOC вектор роторного потока либо измеряется с помощью датчика потока, установленного в воздушном зазоре, либо с использованием уравнений напряжения, исходя из параметров электрической машины.

Но в случае IFOC вектор роторного потока оценивается с использованием уравнений ориентированного на поле управления (модель тока), требующих измерения скорости ротора. Из обоих схем более часто используется IFOC, так как в замкнутом контуре он может легко работать в диапазоне скоростей от нулевой до высокой скорости ослабления поля.

Преимущества ориентированного на поле управления

• Улучшенная реакция момента.

• Управление моментом на низких частотах и низкой скорости.

• Динамическая точность скорости.

• Уменьшение размера двигателя, стоимости и потребления энергии.

• Работа в четырех квадрантах.

• Краткосрочная способность к перегрузке.